Schritt für Schritt zum 3D-Druck

Additive Fertigung Schritt für Schritt zum 3D-Druck

17.10.2018Redakteur: Stefanie Michel

Mehr Designfreiheit, weniger Vorarbeiten, kostengünstig kleine Stückzahlen: Die Additive Fertigung bietet viel Potenzial. Doch um dieses zu nutzen, müssen Anwender die Besonderheiten des Verfahrens sorgfältig berücksichtigen. Dafür bedarf es eines ganzheitlichen Ansatzes und digitalen Hilfsmitteln.

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LK Metallwaren GmbH

Renishaw GmbH

Michel Tube Engineering GmbH

Dassault Systemes Deutschland GmbH

Komplexe Bauteile additiv zu fertigen, kann zahlreiche Vorteile bieten. Wichtig ist dafür aber ein einheitliches Datenmodell und Prozess-Knowhow.
(Bild: Stefanie Michel)

Bis zu 70 % der Produktionszeit und 80 % der Herstellungskosten lassen sich durch die Additive Fertigung einsparen. Zu diesem Ergebnis kommt die Bitkom-Studie „3D-Druck – Erfolgsgeschichte für den Digitalstandort“ 2017. Dazu trägt unter anderem bei, dass die Integration mehrerer Funktionen in ein einziges Bauteil Montage- und Lagerhaltungskosten senkt. Auch aufwendige Vorarbeiten wie der Formenbau entfallen. Zudem bietet der 3D-Druck die Möglichkeit, relativ kostengünstig an unterschiedlichen Standorten zu produzieren sowie personalisierte Produkte in geringer Stückzahl auf Nachfrage herzustellen.

Doch erst eine an die Additive Fertigung angepasste, vollständig virtuelle Produktentwicklung ermöglicht es, von all diesen Vorteilen zu profitieren und gleichzeitig kostspielige Probe- beziehungsweise Fehldrucke zu vermeiden. Das Erfolgskonzept besteht in einem kollaborativen modellbasierten End-to-End Prozess.

Einheitliches Datenmodell auf zentraler Plattform

Der Hintergrund: Bisher arbeiteten fast alle an der Produktentwicklung Beteiligten mit getrennten Modellen: Angefangen beim Geometrie-Modell (CAD), über ein Modell für die Fertigung und die Montage bis hin zu funktionsbeschreibenden Simulationsmodellen, an denen beispielsweise Physik-Modellierungen durchgeführt wurden. Das war uneinheitlich, ineffizient und teuer.

Durch ein einheitliches Datenmodell und eine zentrale Business-Plattform wie die 3D-Experience-Plattform von Dassault Systèmes können nun alle diese Modelle miteinander verknüpft werden – unternehmensweit oder sogar -übergreifend. Basierend auf dem Geometriemodell lassen sich die jeweils benötigten, unterschiedlich detaillierten Funktionsmodellierungen hinzufügen und so modellbasiert alle Produktentscheidungen virtuell unterstützt treffen. Außerdem werden Änderungen an der Geometrie automatisch in den Funktionsmodellen berücksichtigt, ohne diese erneut von Beginn an aufbauen zu müssen.

Schritt für Schritt zum fertigen Produkt

Bildergalerie

Schritt 1: Funktionales generatives Design:
Algorithmen und physikalische Simulationen unterstützen den Konstrukteur bei der Findung des idealen Bauteildesigns unter Berücksichtigung der funktionalen Anforderungen. Dabei kann er unterschiedliche Designvarianten konzipieren lassen und diese analysieren und vergleichen. So lässt sich zum Beispiel unter Einbeziehen aller weiteren Vorgaben rasch das Produktgewicht reduzieren, etwa indem Material in nicht lasttragenden Bereichen identifiziert und eingespart wird.

Schritt 2: Druckprozess-Vorbereitung
Um die Druckmaschine mit den nötigen Parametern, Einstellungen und Geometriedaten zu versorgen, muss der Maschinenprogrammierer die Maschineneigenschaften angeben, die Bauteile auf der Druckplattform ausrichten und Stützstrukturen definieren. Auf dieser Basis werden Bauteilschnitte sowie der Druck- bzw. Laserpfad berechnet. Dabei lassen sich wiederverwendbare Regeln definieren, die unternehmensweit Best Practices festhalten. Die Ergebnisse können exportiert und an die Druckmaschine übergeben werden.
Ein großer Vorteil dieses Ansatzes ist die Erzeugung der Stützstrukturen (Bild) basierend auf der CAD-Geometrie. Sie lassen sich auch manuell vom Konstrukteur verändern bzw. im nächsten Schritt dimensionieren und direkt in der physikalischen Simulation nutzen.

Schritt 3: Druckprozess-Simulation
Anstatt aufwendig auszuprobieren, ob die Fertigung gelingt, kann der Entwicklungsingenieur den Druckprozess vorab virtuell untersuchen. Dabei werden die bereits definierten Maschinenparameter und Druckpfade einfach modellbasiert wiederverwendet. Das Bauteil, bzw. alle Bauteile auf der Druckplattform werden vernetzt und für die Finite Elemente Analyse vorbereitet. Durch die Erzeugung der Stützstrukturen als Geometrie können diese direkt mitvernetzt werden. Ein Programm-Assistent leitet auch weniger simulationserfahrene Anwender durch den Workflow. Durch die Simulation des Druckprozesses werden die zu erwartenden Verformungen, elasto-plastischen Dehnungen und Eigenspannungen bereits vorab untersucht. Selbst Mikrostrukturen und Porosität sind virtuell zu begutachten. So lassen sich bereits vorab die Erfolgsaussichten des Druckprozesses bewerten.

Schritt 4: Verbesserung des Designs und Druckprozesses
„As-designed“ versus „as-manufactured”: Wie bei jedem anderen Verfahren auch, weicht das hergestellte Bauteil in der Regel leicht von der Konstruktion ab. Beim 3D-Druck liegt das unter anderem an thermischen Eigenspannungen oder nicht optimal positionierte Stützstrukturen. Durch den digitalisierten Prozess lässt sich das konstruierte Bauteil mit dem virtuell gefertigten Bauteil vergleichen. Mithilfe des „CATIA Reverse Shape Optimizer“ (Bild) kann der Entwicklungsingenieur die vorhergesagten Abweichungen in der Originalgeometrie kompensieren. Anschließend wiederholt er die Analyseschritte unter Wiederverwendung der Modelle bis eine ausreichende Konvergenz von „as-designed“ und „as-manufactured“ vorliegt. Auch Stützstruktur-Geometrien sowie Druck- beziehungsweise Laserpfade können virtuell untersucht werden. So kann ein an das Bauteil angepasster Druckpfad wesentlich geringere Eigenspannungen und thermische Verformungen verursachen.

Bildergalerie mit 5 Bildern

Mithilfe der zentralen Plattform und dem einheitlichen Datenmodell bilden Unternehmen alle relevanten Konstruktions- und Fertigungsentscheidungen vorab digital ab: Vom Design, über die Fertigungsvorbereitung, bis zur Druckprozess-Simulation. Applikationen speziell für die Additive Fertigung berücksichtigen dabei die Besonderheiten des Verfahrens und begleiten die Anwender Schritt für Schritt bis zum fertigen Produkt (die Beschreibung der einzelnen Schritte erhalten Sie in der Bildergalerie).

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Additive Fertigung Schritt für Schritt zum 3D-Druck

Einheitliches Datenmodell auf zentraler Plattform

Schritt für Schritt zum fertigen Produkt

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